《變頻測試應(yīng)用手冊》

囊括變頻測試所有常用場景并提供配置指南。

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混頻器和變頻器的定義

混頻器是實(shí)施頻率轉(zhuǎn)換的核心元件。它可以將輸入信號與用于通斷二極管或晶體管的本振（LO）信號混頻或倍頻，得到兩者之和或差。在大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)物只有一個是有用的，其他的則通過濾波消除?；祛l器可以是無源器件，也可以是有源器件（圖1），取決于應(yīng)用情況，輸入信號可進(jìn)入IF（中頻）端口進(jìn)行上變頻，或進(jìn)入RF（射頻）端口進(jìn)行下變頻。雖然變頻或混頻過程在本質(zhì)上是非線性的，但混頻器有時候也會呈現(xiàn)出一定的線性——例如，輸入信號變化1 dB，輸出信號也會變化1 dB，混頻器的幅度和相位響應(yīng)與頻率的關(guān)系應(yīng)與輸入功率無關(guān)。不過，就像放大器一樣，取決于輸入驅(qū)動電平的高低，混頻器也具有線性和非線性工作區(qū)域。

? 圖1. 無源二極管混頻器（左）和有源晶體管混頻器（右）的示例。

變頻器是一種復(fù)雜的組合體，其中包含一個或多個混頻器、多個放大器和濾波器，可能還包含信號調(diào)理元器件，如衰減器、隔離器、限幅器和移相器。變頻器中的每一個混頻器都需要一個LO信號，出于測試需要，這個LO信號要么由VNA或外部信號發(fā)生器提供，要么由被測器件內(nèi)置或嵌入的振蕩器提供。與放大器一樣，對混頻器和變頻器執(zhí)行的許多測量通常都是射頻測試，例如增益、增益平坦度、群時延、增益和相位壓縮、互調(diào)失真（IMD）和噪聲系數(shù)。

傳統(tǒng)變頻測試的方法與局限

當(dāng)前，很多用戶仍然使用傳統(tǒng)方法來測試變頻器，測試系統(tǒng)中包含大量射頻測試設(shè)備。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的速度要慢得多，準(zhǔn)確度也較低，而且配置和維護(hù)難度更大，成本更高。例如使用單獨(dú)的信號發(fā)生器來提供射頻和LO信號，并使用頻譜分析儀作為測量接收機(jī)。傳統(tǒng)方法的局限性如下：

-由于測試配置包含大量的外部信號調(diào)理元器件，例如合路器、濾波器和衰減器，因此設(shè)置比較復(fù)雜。在不同的測試之間進(jìn)行切換，通常需要添加或刪除元器件，操作起來非常麻煩。

-誤差校正僅限于幅度響應(yīng)校正，因此用戶通常需要使用衰減器來降低失配誤差，但這會使信噪比（SNR）下降。

-自動頻率掃描或功率掃描測量需要使用計(jì)算機(jī)和軟件來同步各種儀器，因此掃描速度比使用 VNA 掃描慢很多倍。

現(xiàn)代化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由于具有靈活的硬件和許多測量應(yīng)用軟件，提供了非常適合用于變頻器測試的組合拳配置。

-由于儀器內(nèi)集成了大多數(shù)需要的硬件（圖2）中，因此測量速度大大加快，與典型的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，吞吐量提高了100倍。

-為了獲得高度準(zhǔn)確的結(jié)果，我們針對所有測量應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的誤差校正方法。例如，我們的方法可以消除掃描增益、時延和噪聲系數(shù)測量的失配誤差，并使用功率計(jì)校準(zhǔn)測試系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確設(shè)置和測量絕對功率，這對壓縮和 IMD 測量至關(guān)重要。

-精心設(shè)計(jì)的簡單、直觀的用戶界面和校準(zhǔn)向?qū)Ш喕藘x器的使用和配置難度。

下圖中的電路顯示了互調(diào)失真測試配置。

? 圖2. PNA-X 包含進(jìn)行變頻器表征所需的主要組件，包括完整的 S 參數(shù)測試儀、多個射頻源、內(nèi)置信號合路器、脈沖硬件和低噪聲接收機(jī)。

那面對復(fù)雜的變頻測試時，最核心的挑戰(zhàn)都有哪些呢？

在測試變頻器的傳輸參數(shù)時，必須克服的挑戰(zhàn)：

-激勵頻率和響應(yīng)頻率錯開

-計(jì)算不同頻率下的接收機(jī)比值

-變頻器件的傳輸相位測量

使用 PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，很容易克服頻偏挑戰(zhàn)，因?yàn)樗袃?nèi)部射頻源（包括為測量接收機(jī)提供 LO 信號的射頻源）都是頻綜源，并且可以獨(dú)立設(shè)置為儀器頻率范圍內(nèi)的任何頻率。

傳輸幅度測量中涉及接收機(jī)比值的第二個挑戰(zhàn)也不難克服，因?yàn)橛脩舨槐刂苯訙y量接收機(jī)比值。如果不追求特別快的測量速度，那么完全可以先進(jìn)行一次掃描，測量輸入功率，再進(jìn)行另一次掃描，測量輸出功率，最后計(jì)算單個接收機(jī)測量結(jié)果的比值。

在表征變頻器的傳輸參數(shù)時，標(biāo)準(zhǔn)的 S 參數(shù)法并不適用。測試混頻器和變頻器的端口匹配同樣非常容易，因?yàn)閷τ诜瓷錅y量來說，入射信號和測試信號頻率相同，可以使用常規(guī) S 參數(shù)。不過，對于變頻傳輸測量來說，輸入頻率和輸出頻率不同，因此不能直接使用接收機(jī)比值。

對變頻器件進(jìn)行傳輸相位測量特別具有挑戰(zhàn)性

因?yàn)橥ǔＰ枰谙嗤l率的兩個信號之間測量相位。對于早期的 VNA 來說，無論何時進(jìn)行相位或群時延測量，都需要使用參考混頻器。參考混頻器要么與主信號路徑串聯(lián)（通常稱為下/上或上/下變頻法），要么與被測器件并聯(lián)（圖3）。每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但無論采用哪種方法，參考混頻器都必須覆蓋被測器件的頻率，并且要有自己的 LO 信號。通常，用戶還會使用一個獨(dú)立的校準(zhǔn)混頻器來校準(zhǔn)測試系統(tǒng)。

? 圖3. 過去，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)需要串聯(lián)或并聯(lián)參考混頻器，以便測量混頻器和變頻器的相位和時延。

而現(xiàn)在，VNA 可以利用現(xiàn)代化頻綜硬件進(jìn)行相位相干的頻率掃描，無需使用參考混頻器便可完成大部分相位和群時延變頻測量，這是早期的 VNA 無法做到的。通過相位相干性，VNA 能夠重復(fù)測量單個接收機(jī)的相位響應(yīng)與頻率的關(guān)系，再根據(jù)在不同頻率范圍上測得的各接收機(jī)的相位響應(yīng)計(jì)算比值，計(jì)算過程與前面討論的幅度響應(yīng)比值一樣。這種功能無需使用參考混頻器，顯著簡化了測試系統(tǒng)。

使用SMC、SMC+Phase的核心測量

在使用 PNA-X 對混頻器和變頻器進(jìn)行表征時，標(biāo)量混頻器/變頻器（SMC，S93082B）和標(biāo)量混頻器/變頻器+相位（SMC+Phase，S93083B―S93082B的超集）屬于核心測量類別。測量不需要使用參考混頻器，用戶只需進(jìn)行頻率掃描和功率掃描，便可測量輸出功率、增益、增益平坦度、增益壓縮、相位偏差、相位隨驅(qū)動功率的變化（AM 至 PM 轉(zhuǎn)換）、群時延和端口匹配。

本節(jié)將舉例介紹如何使用圖4中的下變頻被測器件進(jìn)行這些測量。

? 圖4. 除非另有說明，這個下變頻被測器件方框圖可用于所有測量示例。

下面我們結(jié)合兩個最常見的測試場景來說明

掃描中頻示例

在典型的變頻器中，各端口的工作頻率范圍有很大差異。射頻端口（下變頻器的輸入端口或上變頻器的輸出端口）的頻率范圍通常比中頻端口寬得多，中頻端口的頻段通常受到濾波器的限制。掃描中頻測量主要顯示中頻帶寬響應(yīng)與頻率的關(guān)系，一般通過單級變頻器便可完成，具體做法是在 LO 信號固定在單個頻率時（這種情況在工作過程中經(jīng)常發(fā)生）掃描輸入端口，然后測量輸出端口的掃描響應(yīng)。圖5 顯示了對示例下變頻器進(jìn)行掃描中頻測量時，用戶指定的混頻計(jì)劃和測試結(jié)果。測量結(jié)果包括變頻器的輸入和輸出頻率響應(yīng)，另外還可以看到窄帶增益和增益平坦度，以及絕對輸出功率。

? 圖5. 如果只想隔離輸入或輸出響應(yīng)，用戶可以按照圖6配置掃描 LO 測量。

? 圖6. 用于掃描頻率響應(yīng)測試的單級變頻器混頻配置。

相位和時延測量

用戶要啟用相位和群時延測量，用戶必須選中“SMC設(shè)置”（SMC Setup）對話框“掃描”（Sweep）選項(xiàng)卡上的“啟用相位”（Enable Phase）復(fù)選框。對于基于小數(shù)N分頻信號源（合成器版本 6）的儀器，信號源的起始相位是不可控的，因此用戶可以選擇將相位跡線在相位響應(yīng)的某一點(diǎn)歸一化為零。這樣就可以避免每次掃描時隨機(jī)起始相位的影響，提供穩(wěn)定、歸一化的相位跡線。為了實(shí)現(xiàn)這種歸一化，用戶應(yīng)該選擇具有良好 SNR 的測量點(diǎn)，通常在指定頻段的中點(diǎn)。相位歸一化不影響相對于線性相位的偏移測量，也不會影響群時延測量，因?yàn)樵谟?jì)算相位與頻率響應(yīng)的斜率時，根本不需要考慮絕對相位。不過，對于這些儀器而言，相位歸一化意味著無法使用 SMC+Phase 來比較多個路徑、多個被測器件間的相位差，或者被測器件內(nèi)的相位變化。

圖12 顯示了通過示例單級變頻器對變頻增益和群時延進(jìn)行的固定 LO 測量。我們使用了跡線分析功能來顯示 200 MHz 掃寬上的時延統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，掃描以通帶中點(diǎn)為中心。

? 圖12. 通過示例單級變頻器對變頻增益和群時延進(jìn)行的固定 LO 測量。

本文為變頻測試需求的客戶提供了詳實(shí)的操作指南。所有涉及的測試項(xiàng)目如下，均可在本文中找到配置指南。

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資料預(yù)覽

本應(yīng)用指南介紹了如何結(jié)合使用 PNA-X 靈活的硬件和豐富的測量應(yīng)用軟件，只需與被測器件建立一組連接，便可進(jìn)行廣泛的變頻器測量，以及表征線性和非線性特性。用戶可使用 CW、脈沖和調(diào)制載波組合，通過頻率掃描和功率掃描完成這些測量。

我們?yōu)槊總€測量應(yīng)用軟件都開發(fā)了校準(zhǔn)方法，確保高準(zhǔn)確度測量。線性測量包括變頻增益或損耗、輸入和輸出匹配、群時延、相對于線性相位的偏移、LO 路徑相位變化以及隔離度。表征非線性特性的測量包括增益和相位壓縮、AM 到 PM 轉(zhuǎn)換、相位轉(zhuǎn)移、IMD、噪聲系數(shù)、雜散、相位噪聲，以及調(diào)制載波評估（ACPR、NPR 和 EVM）。

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